SystemVue在有源陣列天線研究中的應用

張明皓，束永江，楊濤，錢林

（中國電子科技集團公司第三十八研究所安徽合肥230088）

在相控陣雷達的應用中，隨著微波組件集成化、微型化和多功能化的不斷發展[1-4]，按習慣劃分的陣列天線、波束網絡、收發系統等微波分系統之間的界線越來越模糊。若仍沿用原來的研制方法，會導致原先相對獨立的研究和調試工作變得困難，甚至無法實現，一些在分系統研制過程中應發現并解決的問題都集中出現在整機聯調階段，導致研制過程中的改進迭代次數、總成本和時間周期大幅增加。

在這樣的背景下，相控陣雷達微波系統全鏈路的建模仿真越來越重要。通過微波系統建模仿真來明確全系統的設計目標和分系統的設計指標，并根據仿真結果對系統各層次的設計欠缺和性能缺陷進行評估，是確保微波系統預計性能滿足要求的重要環節[5-9]。目前，能夠用于微波系統建模仿真的設計工具和軟件多種多樣[10-11]，其中SystemVue作為一款可專門用于雷達微波系統建模仿真的軟件，提供了較完整的雷達模型庫和射頻組件模型庫，支持從收發系統、饋線網絡到各類型天線的整體建模仿真，并且支持雷達系統半實物仿真，能夠為雷達微波系統的架構和指標參數設計提供理論依據[12-13]。

為了在微波系統全鏈路建模的條件下，對陣列天線開展研究和設計工作，本文利用SystemVue軟件搭建了一套基本的發射鏈路仿真模型，計算了陣列天線激勵信號的時域和頻域特性，及其在不同工作模式下的理論方向圖，研究了通道的幅度和相位隨機誤差對方向圖的影響，并且和暗室測試結果進行了對比分析。

1 建模與仿真

1.1 模型構建與參數設置

典型的有源相控陣雷達微波系統的發射鏈路框圖如圖1所示，根據該原理框圖，我們在SystemVue軟件中搭建了微波系統發射鏈路仿真模型，其子鏈路主要有波形產生、變頻激勵和陣列天線，各子鏈路的輸出端插入了頻譜分析節點以滿足信號分析的需要。如圖2所示，在波形產生與變頻激勵鏈路中，由RADAR_LFM模塊產生線性調頻信號，經過Set Sample Rate采樣模塊和RADAR_TX雷達發射模塊后產生波形的包絡信號。該信號經過FreqMpyDiv倍頻模塊、Mixer和Oscillator上混頻模塊、Amplifier放大模塊和BPF帶通濾波模塊后作為激勵信號饋入陣列天線鏈路。波形產生鏈路中設置的主要參數有脈沖寬度、脈沖重復間隔、波形帶寬、波形頻率，變頻激勵鏈路中主要參數包括倍頻器倍增系數、本振信號頻率、放大器增益、濾波器載波頻率和工作帶寬，具體參數值如表1所示。

圖1 有源相控陣雷達微波系統發射鏈路原理框圖

圖2 波形產生與變頻激勵鏈路仿真模型

圖3 陣列天線鏈路仿真模型

如圖3所示，在陣列天線鏈路中，激勵信號經過EnvToCx模塊后轉換為復數信號，經過矩形陣列發射波束綜合模塊RADAR_TX_DBS_2D后，生成所有陣列天線發射通道的信號，送入多通道發射單元模塊RADAR_MultiCH_TX后生成各發射通道的包絡信號，最后經過相控陣天線模塊RADAR_Phased ArrayTx的計算并通過EnvToCx轉換數據類型后得到方向圖數據。在陣列天線鏈路模型中，參數設置主要包括陣列天線單元數、單元間距、單元因子、方位向和俯仰向的波束掃描角等。其中，RADAR_Multi CH_TX模塊利用軟件自帶的MATLAB語言讀取所有單元通道的幅度相位值并轉換為復數矩陣，能夠方便地處理方向圖綜合、誤差分析、非均勻陣列和稀疏布陣等問題。對于RADAR_PhasedArray Tx模塊，由MATLAB自定義模塊生成方位和俯仰掃描參數并輸入BeamPhiIn和BeamThetaIn端口用于仿真參數導入。同時，由兩個Sink元件分別采集方位向與俯仰向的數據用于數據后處理計算方向圖，Sink元件數據采集的數量設為與對應的MATLAB自定義模塊生成的變量數相同，以避免數據處理出現混亂。

表1 波形產生與變頻激勵參數

文中計算的天線陣列類型為均勻平面陣，天線陣面位于X-Y坐標平面，電磁波輻射方向為+Z方向，對應的方向圖函數和單元分布分別由公式（1）和公式（2）表示，其中，cl為各天線單元的饋電電流幅度，λ為工作波長，θ0和φ0為波束掃描角，cosEF2θ為天線單元方向圖函數，EF為單元因子，其默認值為1；X方向和Y方向對應的天線單元數分別為M和N，單元間距分別為dx和dy。

1.2 仿真計算

有源相控陣雷達微波系統發射鏈路建模完成以及基本參數設置后，對波形產生和變頻激勵鏈路的信號波形和頻譜進行了仿真。波形產生信號的仿真波形如圖4所示，可以看到信號由工作周期相同的脈沖信號串組成，將部分波形進行放大可以看到該信號為線性調頻信號，與波形設計的理論值吻合。變頻激勵鏈路的輸出的信號頻譜如圖5所示，該信號中心頻率9.5 GHz，帶寬20 MHz，信號功率為18 dBm，能夠滿足激勵信號的要求。

對于陣列天線鏈路模型可以設置不同的天線單元布局方式、單元數量、單元間距和掃描角。發射模式下陣列天線的所有TR組件均為飽和放大工作，即輸出功率恒定，僅對相位進行量化調節。當波束不展寬時，天線的主要指標要求為：掃描角為法向時，方位向與俯仰向和波束主瓣寬度分別為1.1°和 6.4°，副瓣低于-12 dB；最大掃描角分別為60°和 20°。

圖4 波形產生信號的時域仿真結果

圖5 激勵信號的頻域仿真結果

經過參數優化，得到陣列天線方位向與俯仰向的單元數分別為96和12，單元間距分別為16 mm和21 mm，波束不展寬時，所有天線單元采用等幅同相饋電方式，圖6所示為發射模式下和波束的法向三維方向圖。圖7所示為天線在方位向的法向和掃描60°時的理論方向圖，計算結果能夠滿足指標要求，且沒有出現柵瓣。

圖6 和波束三維方向圖

圖7 法向與掃描60°方向圖

2 波束展寬實驗測試

相控陣雷達的多種工作模式要求天線波束寬度靈活可變，設計指標要求方位向最大波束展寬寬度為10°，副瓣低于-12 dB。針對波束展寬問題的陣列天線綜合法有很多，目前主要采用的是遺傳算法及其改進算法[14-16]，可以得到較平滑的相位分布曲線，通過仿真模型調用波束展寬時的各通道相位值，

實際應用中，因為天線裝配精度以及TR組件幅度相位一致性等各種形式的隨機誤差，所以各陣元的激勵電流幅度和相位不能與理論值一致，會導致方向圖出現畸變，使得天線的副瓣電平抬高，因此必須進行誤差分析。這里主要考慮了天線單元通道隨機的幅度和相位誤差，設第l單元的幅度隨機誤差為Δcl，相位的隨機誤差為Δψl，此時方向圖計算公式由公式（1）改寫為公式（3）：

圖8 波束展寬仿真與測試方向圖

當各單元通道的幅度隨機誤差Δcl為±0.5 dB，相位隨機誤差Δψl為±20°時，對波束展寬方向圖進行仿真計算并和暗室測試結果進行對比。如圖8所示，理論與測試方向圖的主瓣和近區副瓣基本吻合，其波束寬度為9.9°，副瓣小于-13 dB，并且主波束的頂部較平坦，能夠滿足指標要求。而遠區副瓣的測試結果比理論計算結果高10 dB左右，這是因為在計算中僅考慮了各單元通道的隨機幅度相位誤差，而未引入饋電網絡和子陣天線延遲線的誤差，不影響實際工程應用。

3 結論

本文針對相控陣雷達微波系統全鏈路仿真分析的需求，利用SystemVue搭建了一套典型的發射鏈路仿真模型，該仿真模型由波形產生、變頻激勵和陣列天線三段子鏈路組成，通過對模型主要節點的測試，可以滿足信號波形、頻譜及天線方向圖綜合分析。本文在天線設計指標的要求下，對天線方向圖進行了仿真計算和誤差分析；以波束展寬模式為例，進行了試驗分析，得到了與理論計算較為一致的結果。可以看到SystemVue軟件下搭建的相控陣雷達微波系統仿真模型具有可視化建模、功能全面、參數完整和便于使用的特點，能夠滿足實際的工程應用。